[논문 리뷰] Performance Evaluation of User Scheduling for Full-Duplex Small Cells in Ultra-Dense Networks

Italo Atzeni, Marios Kountouris외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 20.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 11인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 슈퍼밀도 네트워크(UDNs) 내에서 완전 이중성(FD) 소셀의 사용자 스케줄링 및 전력 할당을 스토하스틱 기하학과 3GPP 채널 모델을 사용하여 평가한다. 저자는 세 가지 저복잡도 사용자 스케줄링 알고리즘을 제안하고, 최적 전력 할당(OPA)과 조합했을 때 최대 19.1%의 합산 데이터율 향상을 입증한다. 이는 기지국 밀도가 높고 자기 간섭 제거(SIC) 능력이 충분할 경우 특히 두드러진다.

ABSTRACT

Full-duplex (FD) communication is an emerging technology that can potentially double the throughput of cellular networks. Preliminary studies in single-cell or small FD network deployments have revealed promising rate gains using self-interference cancellation (SIC) techniques and receive processing. Nevertheless, the system-level performance gains of FD small cells in ultra-dense networks (UDNs) have not been fully investigated yet. In this paper, we evaluate the performance of resource allocation in ultra-dense FD small-cell networks using spatial stochastic models for the network layout and 3GPP channel models. More specifically, we consider various UDN scenarios and assess the performance of different low-complexity user-scheduling schemes and power allocation between uplink and downlink. We also provide useful insights into the effect of the SIC capability on the network throughput.

연구 동기 및 목표

• 실제 배치 조건 하에서 슈퍼밀도 네트워크(UDNs) 내 완전 이중성(FD) 소셀의 시스템 수준 성능을 평가하는 것.
• FD 기반 UDN에서 사용자 스케줄링 및 전력 할당이 네트워크 대역폭에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 자기 간섭 제거(SIC) 능력과 기지국 밀도가 FD 성능 향상에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 다양한 네트워크 조건과 최적 전력 할당(OPA) 유무에 따라 저복잡도 사용자 스케줄링 알고리즘의 성능을 비교하는 것.

제안 방법

• 소셀 기지국(BS)의 공간 분포를 나타내기 위해 하드코어 포인트 프로세스(HCPP)를 사용하여 UDN 레이아웃을 모델링한다.
• 실제 전파 조건을 반영하기 위해 경로 손실 및 샤도잉에 대해 3GPP 채널 모델을 통합한다.
• 세 가지 저복잡도 사용자 스케줄링 알고리즘을 제안한다: 알고리즘 1(독립적인 UL/DL 선택), 알고리즘 2(DL 최적화), 알고리즘 3(합산 데이터율을 위한 공동 최적화).
• 모든 알고리즘에 대해 상향링크(UL) 및 하향링크(DL) 전송 전력을 균형 있게 맞추기 위해 최적 전력 할당(OPA)을 적용한다.
• 자기 간섭, 이웃셀 간섭, 사용자 간섭을 고려한 상향링크 및 하향링크의 신호 대 간섭+노이즈비(SINR) 표현식을 유도한다.
• 다양한 BS 밀도와 SIC 능력에서 상향링크, 하향링크 및 합산 데이터율을 평가하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션과 경험적 누적분포함수(CDF)를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 저복잡도 사용자 스케줄링 알고리즘은 FD UDN에서 상향링크, 하향링크 및 합산 데이터율 측면에서 어떻게 성능을 내는가?
• RQ2 최적 전력 할당(OPA)은 FD 소셀의 사용자 스케줄링 알고리즘 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기지국 밀도는 FD UDN에서 합산 데이터율과 간섭 수준에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 FD 운영이 반중계(HD) 모드 대비 실현 가능해지기 위해 필요한 최소한의 SIC 능력은 무엇인가?
• RQ5 다중 안테나(MIMO)는 FD UDN에서 사용자 스케줄링 알고리즘의 성능에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 상향링크 및 하향링크 사용자 선택을 공동으로 최적화하는 알고리즘 3이 모든 스케줄링 알고리즘 중 가장 높은 합산 데이터율을 달성한다.
• 최적 전력 할당(OPA)을 적용하면 모든 사용자 스케줄링 알고리즘의 합산 데이터율이 향상되며, 특히 알고리즘 2와 알고리즘 3에서 가장 큰 향상이 관찰된다.
• OPA를 적용한 결과, 기지국 밀도가 $10^{-5}$ BSs/m²일 때 알고리즘 2는 HD 모드 대비 19.1%의 합산 데이터율 향상을 달성한다.
• 충분한 SIC 능력($\Omega \geq 110$ dB)이 확보되면 자기 간섭이 노이즈 수준으로 감소하여 FD 운영이 가능해지며, $\Omega = 60$ dB 이하일 경우 FD 운영이 불가능해지고 성능은 HD 모드로 수렴한다.
• MIMO 구성은 상향링크 및 하향링크 데이터율을 모두 크게 향상시키며, 특히 다중 안테나 환경에서 알고리즘 3가 가장 두드러진 성능 향상을 보인다.
• 알고리즘 1에서는 사용자 간 간섭이 하향링크 성능을 심각하게 악화시키지만, 알고리즘 2와 알고리즘 3는 조율된 사용자 선택을 통해 이를 효과적으로 완화한다.